Une informatique économe en énergie inspirée par la nature
Les superordinateurs sont souvent utilisés pour traiter toute une série de questions technologiquement et sociétalement complexes. Il peut s’agir de prévisions météorologiques et de recherches sur le climat, mais aussi de modélisation moléculaire et de simulations de plans de vol et de l’aérodynamique des engins spatiaux. Un écueil majeur réside dans le fait que ces superordinateurs consomment de grandes quantités d’énergie électrique. Le développement d’ordinateurs toujours plus puissants est dès lors entravé par notre capacité limitée à refroidir leurs processeurs. «Les ordinateurs consomment beaucoup d’énergie électrique pour chacun de leurs calculs», explique Heiner Linke, coordinateur du projet Bio4Comp, de l’université de Lund en Suède. «Si un problème nécessite un grand nombre d’opérations, sa résolution s’accompagne généralement d’un coût énergétique important. C’est un défi, non seulement en termes de coût et de durabilité, mais aussi en termes de gestion de la chaleur.» En outre, les superordinateurs ne sont pas toujours très efficaces à l’heure d’exécuter plusieurs opérations à la fois. Cet état de fait peut les rendre inefficaces lorsqu’il s’agit de calculs complexes tels que l’allocation des ressources dans les processus industriels.
Calculs en réseau
Le projet Bio4Comp, financé par l’UE, a cherché à relever ces défis en ouvrant la voie à de nouvelles avancées dans ce que l’on appelle la bioinformatique basée sur les réseaux (NBC – pour Network-Based Biocomputation). Cette approche de calcul parallèle, qui exploite la puissance et l’efficacité des machines biomoléculaires, vise à résoudre des problèmes complexes à un faible coût énergétique et dans des délais raisonnables. «Imaginez une puce informatique qui fonctionne avec quelques nanogrammes de biocarburant, plutôt qu’avec plusieurs kilowatts d’énergie électrique», explique Heiner Linke. Une telle solution consommerait beaucoup moins d’énergie que les ordinateurs classiques et permettrait de résoudre les problèmes liés à la consommation d’énergie et à la dissipation de la chaleur.
Faire fonctionner des machines biomoléculaires
Le projet s’est attaché à concrétiser cette ambition en combinant deux idées originales. Tout d’abord, le matériel. Il s’agit de canaux de taille nanométrique gravés sur une puce de silicium. Ces canaux forment un labyrinthe, représentant un algorithme mathématique. «Deuxièmement, nous avons utilisé des biomolécules qui explorent tous les chemins possibles dans ce labyrinthe et, ce faisant, exécutent l’opération mathématique proprement dite», ajoute Heiner Linke. Ces machines biomoléculaires – des filaments cytosquelettiques animés par des moteurs moléculaires – ne mesurent chacune que quelques milliardièmes de mètre (nanomètres). Chaque fois qu’elles atteignent une jonction dans le réseau, elles ajoutent un nombre à la somme qu’elles calculent ou le laissent de côté. De cette façon, chaque biomolécule agit comme un minuscule ordinateur. Bien que les biomolécules, prises individuellement, soient beaucoup plus lentes qu’un ordinateur moderne, elles s’auto-assemblent de sorte qu’elles peuvent être utilisées en grand nombre, ce qui permet d’accroître rapidement leur puissance de calcul. L’équipe du projet a testé avec succès son modèle NBC sur une série de problèmes mathématiques spécifiques nécessitant un très grand nombre de calculs. «Les deux problèmes sur lesquels nous nous sommes concentrés sont appelés Couverture exacte et Satisfaction, mais nous pensons qu’il existe d’autres problèmes pour lesquels l’architecture NBC peut s’avérer particulièrement efficace et adaptée», fait remarquer Heiner Linke.
Numérisation neutre en carbone
Le projet Bio4Comp a démontré que la NBC est une approche viable pour la résolution de problèmes informatiques complexes, offrant une consommation d’énergie nettement inférieure à celle des processeurs électroniques. «Nous avons présenté une plateforme de calcul qui utilise des ordres de grandeur d’énergie inférieurs au calcul électronique», fait-il remarquer. «Il s’agit de notre contribution à une industrie numérique neutre en carbone.» Il reste bien sûr des défis de taille à relever pour mettre cette technologie à l’échelle. Le projet aborde ces défis dans une feuille de route, qui identifie les besoins scientifiques et technologiques clés pour la mise à l’échelle de la NBC. «Plus précisément, nous identifions les étapes technologiques qui doivent être atteintes ou dépassées, ainsi que les solutions possibles pour y parvenir», explique Heiner Linke. Celles-ci comprennent notamment des méthodes de production à grande échelle de réseaux physiques à l’échelle nanométrique.
Mots‑clés
Bio4Comp, énergie, informatique, biomoléculaire, carbone, numérisation, superordinateurs
